一种从量子材料中提取关键信息的超快速光学方法

拓扑绝缘体是量子材料，由于其奇异的电子结构，其表面和边缘上像金属一样传导电流，同时又可作为整体的绝缘体。Max-Born非线性光学和短脉冲光谱研究所(MBI)的科学家首次展示了如何通过对超常规材料进行探测，在十亿分之一秒的百万分之一秒之内将拓扑材料与常规的相对琐碎的部分区分开-快速激光。他们的方法可以为将这种材料用作光控电子设备中的逻辑元件开辟道路，该电子设备目前可以更快地处理数万次信息。他们的研究发表在《自然光子学》上。

拓扑概念最常见的说明涉及一个弹性椒盐脆饼，可以以任何方式拉伸，弯曲或扭曲。不管变形如何，都不可能用椒盐脆饼制成百吉饼或在其上加孔，而不会将其撕裂。椒盐脆饼中的孔数因此是不变的，并提供有关椒盐脆饼形状的拓扑信息。

在固体材料中，量子力学定律限制电子可以拥有的能量，从而导致形成带有允许或禁止能量的能带。使用拓扑的概念，物理学家可以描述允许的能带的复杂形状，并为其分配特定的拓扑数。材料系统中能带结构的特殊拓扑结构表现为可以观察到的奇异特性，例如拓扑绝缘体中的表面电导率。

“拓扑结构最显着的方面是它的鲁棒性：拓扑结构诱导的特性受到它的保护，”来自MBI的ÁlvaroJiménez-Galán博士的两位主要作者之一解释说。就像我们不能改变椒盐脆饼中的孔数而不会破坏它一样，通常会破坏材料导电能力的杂质和其他干扰不会影响拓扑绝缘体表面的高电子迁移率。对杂质的免疫力是拓扑材料对电子行业极具吸引力的原因。

使电子“谈论”拓扑

尽管该系统的拓扑结构与其中的电子行为密切相关，但是到目前为止，还没有发现在十亿分之一秒的时间尺度上，拓扑特性对电子动力学的影响。通过数值模拟和理论分析，来自MBI的小组证明了有关系统拓扑的信息确实以这种极快的电子动力学编码，并且可以通过观察光来检索。电子在被激光激发时发出。奥尔加博士说：“如果我们想象电子在能量带中作为跑道上的赛跑者在运动，那么我们的方法允许通过简单地测量赛跑者的加速度来了解这种赛道的拓扑结构。” MBI理论小组负责人Smirnova。超短激光脉冲激发系统中的电子，使它们从一个能带跳到更高的能带，从而使它们加速进入新的轨道。被加速的电子然后发光并迅速回落到较低位置。该过程仅持续一秒的无穷小部分，但足以使电子“感觉”到琐碎和拓扑绝缘子的能量结构之间的细微差别，并将此信息“编码”为发射的光。

迈向超快光波电子学的道路

当前的工作演示了如何以超快的速度区分琐碎的绝缘体和拓扑绝缘体，换句话说，就是使用激光光谱法“读出”系统的拓扑信息。下一步，MBI研究人员计划利用这一知识将普通的绝缘体通过激光转换为拓扑，反之亦然，即以相似的速率将拓扑信息“写入”材料。这种效应的理论证明可以提出拓扑控制材料在光控电子中的应用，其中只有电子对光的响应速度才能定义信息处理速度的极限。

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